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viernes , octubre 30 2020
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Técnicas analógicas para una mayor autonomía de la batería

Lograr la máxima vida de la batería exige comprender tres factores clave: las tecnologías de batería, la gestión digital de la alimentación y las técnicas analógicas de bajo consumo. Si bien muchos diseñadores conocen bien los puntos fuertes y débiles de las diferentes químicas de las baterías y el control digital de alimentación,  puede que no conozcan tanto el papel que desempeña la electrónica analógica de bajo consumo para prolongar la autonomía de la batería.

Químicas de batería

Una de las decisiones clave para los diseñadores de electrónica portátil es la elección de la tecnología de batería. Las cuatro químicas de batería principales son: alcalina; níquel-cadmio (NiCd); níquel-metal hidruro (NiMH); e ion de litio (Li-Ion) y cada una presenta sus propias ventajas e inconvenientes.

Por regla general, una pila alcalina completamente cargada proporcionará una tensión de alrededor de 1,5V. Esta tensión se reducirá a medida que se utilice la energía de la batería, de forma que cuando se haya consumido al 90% la tensión habrá caído hasta alrededor de 0,9V. La combinación de una capacidad relativamente alta y una elevada resistencia interna hace que las baterías alcalinas sean ineficientes para aplicaciones que consuman una elevada corriente, como coches de control remoto, flash de cámaras y herramientas eléctricas.

Para esas aplicaciones de alta corriente, las células de baterías de NiCd proporcionan una opción muy duradera y de bajo coste, y ofrecen una tensión nominal de 1,2V que cae alrededor de 0,9V cuando se acaba la autonomía de la batería. Los inconvenientes son su densidad de energía relativamente baja y la presencia de metales tóxicos. Además es preciso realizar una descarga periódica completa para evitar que se formen grandes cristales en las placas de la célula, que afectan a la autonomía y a las prestaciones de la batería.

En cambio, las células de NiMH son respetuosas con el medio ambiente y proporcionan una densidad de energía un 40% más elevada que las células de baterías de NiCd. Su tensión nominal del orden 1,25V cae por debajo de 1,0V cuando la autonomía de la batería llega a su fin. Los inconvenientes de las baterías de NiMH son su velocidad de autodescarga considerablemente más elevada y escasa durabilidad si se comparan con las de NiCd,  y ello se debe al funcionamiento con cargas elevadas y temperaturas extremas.

Para la mayor parte de la electrónica de consumo, el ion de litio (Li-ion) es actualmente la química de batería dominante. Una única célula de Li-ion completamente cargada tiene una tensión en circuito abierto de unos 3,6V que se reduce hasta unos 2,7V cuando se ha agotado por completo. Entre las ventajas de las células de Li-ion se encuentran su menor peso, tensiones de célula más elevadas y en las versiones de Li-polímero, la posibilidad de darle forma.

Otras ventajas son que la densidad de energía de las baterías de Li-ion y Li-polímero continúa aumentando y actualmente duplica la energía de una célula de NiCd estándar, mientras que sus costes van disminuyendo. El principal inconveniente de esta química es el riesgo de que pueda explotar si se sobrecarga. Esta preocupación sobre la seguridad hace que algunos fabricantes se inclinen a favor de la química NiMH, especialmente cuando tamaño y peso no son factores críticos.

 

Convertidores CC/CC

Es imprescindible conocer las arquitecturas de convertidor CC/CC para optimizar las prestaciones de un diseño y generalmente la elección se realizará entre reguladores lineales, reguladores conmutados y bombas de carga. Aunque hay varios tipos de reguladores lineales, el más utilizado en aplicaciones alimentadas por batería es el regulador LDO (low dropout regulator). Éstos utilizan un transistor de paso de canal P como resistencia variable con realimentación para regular una determinada tensión de salida.

En cambio, un regulador conmutado utiliza un diodo, un inductor y un interruptor para transferir energía desde la entrada y proporciona una salida determinada que se configura como topología reductora (buck), elevadora (boost) o reductora/elevadora (buck/boost). Un regulador reductor proporciona una tensión de salida regulada más baja que la tensión de entrada, similar a la función de un LDO; un regulador conmutado elevador proporciona una tensión de salida más elevada que la entrada; por su parte, un regulador reductor/elevador proporciona una salida regulada dentro de un rango de tensiones de entrada superiores y/o inferiores a la de salida.

El tercer tipo de regulador, una bomba de carga, utiliza un condensador como dispositivo de almacenamiento de energía y tiene interruptores para conectar las placas del condensador a la tensión de entrada. Dependiendo de la topología del circuito, una bomba de carga puede duplicar, triplicar, invertir, reducir a la mitad o incluso crear una tensión de salida regulada arbitraria. El uso de condensadores de carga y descarga para transferir energía hace que una bomba de carga proporcione una corriente de salida relativamente baja y no superior a un par de cientos de miliamperios.

La Tabla 1 destaca las ventajas e inconvenientes de cada una de estas topologías de convertidor CC/CC y la elección de la topología óptima dependerá de los parámetros de cada aplicación. Para aplicaciones en las que sea prioritaria la autonomía de la batería, un regulador conmutado de alta eficiencia debería ser la mejor opción, mientras que en aplicaciones con un elevado nivel de ruido eléctrico la elección debería inclinarse por un regulador lineal. No obstante, cada aplicación debe centrarse en la circuitería de gestión de alimentación si se quieren lograr los objetivos fijados para las prestaciones del sistema.

 

Parámetro

Regulador lineal

Regulador conmutado

Bomba de carga

Eficiencia

Baja

Alta

Media

Ruido

Bajo

Alto

Medio

Corriente de salida

Baja a media

Baja a alta

Baja

Aumento tensión

No

Bajada tensión

Tamaño

Pequeño

Grande

Medio

 Tabla 1: Análisis de diferentes topologías de convertidores CC/CC.

 

La conversión CC/CC ofrece una serie de técnicas para prolongar el tiempo de funcionamiento de la batería. La Figura, por ejemplo, muestra la colocación de un condensador de entrada y salida con relación al convertidor CC/CC. En esta configuración, el regulador conmutado utilizado para abrir y cerrar un interruptor de entrada puede generar sobrecorrientes en la patilla de entrada que se pueden minimizar utilizando un gran condensador de entrada como un buffer de carga.

Esto puede afectar al tiempo de funcionamiento de la batería porque, dependiendo de la química de la batería, la resistencia interna puede ser significativa y la corriente de pulsos procedente de la batería puede provocar una caída de tensión apreciable en la célula de batería. Un condensador de entrada más grande, situado entre la batería y el interruptor, reducirá el consumo instantáneo de corriente y ello dará como resultado una caída de tensión en la batería. Para minimizar estas caídas de tensión, el tiempo de funcionamiento de la batería se puede ampliar antes de alcanzar la tensión mínima de célula de la batería. En aplicaciones de bajo consumo que ocupen buena parte del tiempo en modo de espera o modo dormido, es posible que no sea necesario que el regulador trabaje en todo momento. En este caso, el uso de un condensador de salida de mayor tamaño para suministrar la baja corriente que necesita la carga puede ser más eficiente desde un punto de vista energético. Con los ciclos de conexión y desconexión del regulador se eleva la carga del condensador según se necesite.

 

Gestión digital de alimentación

La variación dinámica de tensión es otra técnica habitual para maximizar el tiempo de funcionamiento de la batería. Cuando funciona con una tensión más baja en una carga digital, como ocurre con un microcontrolador, necesita menos corriente y por tanto consume menos energía. El inconveniente, sin embargo, es que trabajar con un microcontrolador con una tensión baja puede limitar su velocidad de proceso y las capacidades de salida. La variación dinámica de tensión permite que el microcontrolador combine una tensión más baja y un menor consumo, en modo de espera o dormido, con un convertidor elevador hasta un nivel de tensión más elevado para procesar o transferir información. Esta técnica se utiliza a menudo en informáticas y de otro tipo alimentadas mediante baterías, en las que el microcontrolador trabaja en diferentes modos.

La relación entre el tiempo de funcionamiento y en espera o en modo dormido para cada aplicación también influirá sobre el tiempo de funcionamiento de la batería. Si bien aplicaciones como detectores de dióxido de carbono necesitan funcionar generalmente en modo continuo, otras pueden permanecer en modo de espera o dormido hasta que se necesiten.

Otros ejemplos de aplicaciones con un funcionamiento intermitente son los contadores inteligentes de agua, controles remotos y detectores de humo basados en fotodetección.

 

Gestión analógica de alimentación

 Existe una enorme cantidad de recursos en línea dedicados a ayudar a los diseñadores a comprender y gestionar la alimentación digital mediante los diferentes modos de funcionamiento que ofrecen los microcontroladores, así como conectando y desconectando los periféricos que incorpora en función de las necesidades. También se encuentra bien documentado el impacto que tiene trabajar con el microcontrolador en estado continuamente activo o ponerlo en modo dormido y luego despertarlo para un funcionamiento activo. Cuando se gestiona la alimentación asignada a los componentes analógicos, puede que las alternativas no estén tan claras. Si bien sigue siendo fundamental el uso de CI analógicos con la corriente activa más baja posible para sistemas que se encuentren continuamente en modo de funcionamiento activo, las aplicaciones sometidas a ciclos de trabajo también habrán de valorar el tiempo de ajuste respecto al consumo de corriente. Puede que un dispositivo más rápido con una corriente más alta proporcione una mayor eficiencia a largo plazo que una alternativa de menor corriente con un tiempo de respuesta más lento. La elección de la tecnología de batería apropiada y las técnicas de gestión digital de alimentación son cuestiones bien conocidas para los diseñadores tratan de prolongar la autonomía de la batería. La implementación de técnicas analógicas de bajo consumo generalmente no es tan bien conocida pero pueden desempeñar un importante papel para prolongar la autonomía de la batería y para asegurar las prestaciones óptimas del sistema.



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